Rakennusosien ja niiden materiaalien hiilidioksidipäästöjä on tutkittu paljon, mutta paloturvallisuussuunnittelun vaikutusta rakennusten hiilijalanjälkeen ei ole aiemmin selvitetty. KK-Palokonsultti Oy:n paloteknisen suunnittelijan Eemeli Könkkölän Aalto-yliopistossa joulukuussa 2021 hyväksytty maisterivaiheen opinnäytetyö Effect of performance-based fire safety design on building’s carbon footprint perehtyy toiminnallisen palomitoituksen vaikutukseen rakennusten hiilijalanjäljessä.
Perinteiset taulukkomitoitukseen perustuvat paloturvallisuuden suunnittelumenetelmät arvioivat rakennusosiin kohdistuvan lämpörasituksen usein liian korkeaksi, mikä saattaa etenkin sprinklatuissa kohteissa johtaa rakennusmateriaalien ja palosuojauksen liialliseen käyttöön. Könkkölä osoittaa diplomityössään, että oikeilla suunnittelumenetelmillä ja hyvällä suunnittelutyöllä materiaalien käyttöä voitaisiin monessa projektissa vähentää oleellisesti. Materiaalien määrää vähentämällä voidaan saavuttaa tuntuvia kustannussäästöjä ja vaikuttaa samalla rakennuksen hiilijalanjälkeen huomattavalla tasolla. Jos suunnittelulla pystytään leikkaamaan kantavissa teräsrakenteissa käytetyn rakenneteräksen määrää, hiilijalanjäljen pienentyminen voi olla erittäin merkittävää.
Taustalla huoli ilmastonmuutoksesta
Ihmiskunnan tulevaisuutta uhkaava ilmastonmuutos on lisännyt painetta rakennusten ja rakennusteollisuuden hiilidioksidipäästöjen vähentämiseen. Syytä onkin, sillä Euroopan komission tutkimusten mukaan rakennusten osuus kokonaispäästöistä on melkoinen: rakennusten osuus energiankulutuksesta on suunnilleen puolet ja resurssienkin käytöstä puolet. Rakennusteollisuuden mukaan suomalaisissa rakennuksissa käytetään lähes 40 prosenttia kaikesta kulutettavasta energiasta ja ne aiheuttavat yli 30 prosenttia päästöistä. Liikenne mukaan lukien rakennetun ympäristön osuus energiankäytöstä on 60 prosenttia ja päästöistä 55 prosenttia.
Euroopan komissio on toteuttanut useita hankkeita rakennusten aiheuttamien ympäristövaikutusten vähentämiseksi. Yksi niistä on vihreän kehityksen ohjelma, jolla pyritään vähentämään rakentamisen hiilidioksidin nettopäästöt nollaan vuoteen 2050 mennessä. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi eurooppalaiset hallitukset ovat pontevasti vaatineet rakennusteollisuutta arvioimaan tuotteidensa päästöjä ja rakennusalan yrityksiä tarkastelemaan omia päästöjään. Suomessa ympäristöministeriö julkaisi syksyllä 2019 Suomen elinkaariarviointimenetelmän (LCA), joka ohjaa rakennusalaa rakennusten hiilipäästöjen arvioinnissa koko niiden elinkaaren ajalta.
Rakentamisen hiilipäästöt
Rakennukset koostuvat valtavasta määrästä erilaisia rakennusosia, joiden ympäristövaikutukset eroavat merkittävästi toisistaan. Rakennuksen elinkaaren hiilijalanjälki koostuu rakennusosien ja -materiaalien valmistuksesta ja kuljetuksesta, rakennusvaiheesta, rakennuksen käytöstä ja kunnossapidosta, mahdollisista rakennusosien vaihdoista sekä elinkaaren päättymiseen liittyvistä toimenpiteistä, kuten purkutyöstä. Rakentamisen ja rakennusmateriaalien osuus rakennuksen kaikista päästöistä on merkittävä.
Suurin osa rakennuksen hiilipäästöistä syntyy käyttövaiheessa rakennuksen lämmittämisestä, jäähdyttämisestä ja kunnossapidosta, joten rakennusten energiatehokkuus ja vähähiilinen energiantuotanto ovat edelleen tärkein lähtökohta rakennuskannan hiilijalanjäljen pienentämisessä. Rakennetun ympäristön energiatehokkuuden parantaminen on kustannustehokkain keino hillitä ilmastonmuutosta. Kun energiatehokkuus paranee ja tuotetusta energiasta tulee jatkossa vähemmän hiili-intensiivistä, rakentamisen ja rakennusmateriaalien suhteellinen osuus kasvihuonekaasujen päästöistä kasvaa.
Kantavilla rakenteilla on suurin vaikutus rakennusosien ja -materiaalien osuuteen rakennuksen hiilijalanjäljessä. Materiaalien määrät ja painot vaikuttavat luonnollisesti myös kuljetuksissa ja varsinaisessa rakennustyössä syntyviin päästöihin. Puurunkoisten rakennusten hiilijalanjälki on pienin, betonirunkoisten rakennusten suurin. Betonin valmistuksessa sideaineena käytettävän sementin tuotanto aiheuttaa arvioiden mukaan 5-8 % maailman kasvihuonepäästöistä ja tuottaa globaalisti enemmän ilmastopäästöjä kuin lentoliikenne. Teräsrunkoiset rakennukset ja hybridiratkaisut, joissa puuta käytetään yhdessä perinteisten teräs- ja betonirakenteiden kanssa, sijoittuvat päästöiltään näiden ääripäiden väliin.
Valtaosa materiaalien päästöistä syntyy valmistusvaiheessa. Terästuotannon merkittävimmät hiilipäästöt syntyvät rautamalmin louhinnasta ja jalostamisesta teräkseksi. Rakenneteräksellä on suuri hiilijalanjälki sen valmistukseen vaadittavien korkeiden lämpötilojen vuoksi. Kierrätysteräksestä valmistetun teräksen hiilijalanjälki voi olla huomattavasti pienempi kuin neitseellisen teräksen, mutta toisaalta sen valmistus kuluttaa valtavan määrän sähköä. Lasirakenteiden rungoissa käytettävän alumiinin valmistus on yksi pahimmista hiilidioksidipäästöjen aiheuttajista sekin. Alumiinin valmistuksen arvioidaan aiheuttavan prosentin kaikista ilmastonmuutosta kiihdyttävistä päästöistä. Siksi on perusteltua tutkia kantavan teräsrungon ja palo-osastoivien lasirakenteiden optimoinnin vaikutusta rakennuksen hiilijalanjälkeen.
Paloturvallisuussuunnittelun menetelmät
Suomessa rakennusten paloturvallisuussuunnittelu perustuu ympäristöministeriön asetukseen rakennusten paloturvallisuudesta, joka mahdollistaa suunnittelun luokka- ja lukuarvojen mukaan (taulukkomitoitus) tai oletettuun palonkehitykseen perustuen (toiminnallinen palomitoitus).
Taulukkomitoitus on perinteinen suunnittelumenetelmä. Se perustuu tavanomaisten rakennusten käyttötarkoituksen mukaiseen jaotteluun, ennalta määritettyihin palokuormaryhmiin ja rakennusosien palo-ominaisuuksien testaukseen ja luokitukseen. Taulukkomitoituksessa rakennuksen palorasitus huomioidaan yleisen palotehokäyrän, eli niin sanotun standardipalon mukaan ja siksi se usein yliarvioi rakennuselementteihin kohdistuvan lämpörasituksen. Tämä saattaa johtaa tarpeettoman kalliisiin ja materiaaleja tuhlaaviin rakenteisiin, sillä todellisessa palotilanteessa palorasitus jää usein selvästi arvioitua pienemmäksi. Taulukkomitoitusta on myös vaikea soveltaa monimutkaisiin, poikkeuksellisia rakenneratkaisuja sisältäviin tai tavanomaista suurempiin rakennuksiin.
Rakennusosien materiaalimääriä voidaan optimoida toiminnallisella palomitoituksella, joka taulukkomitoituksesta poiketen ottaa huomioon rakennuksessa todennäköisesti esiintyvät palotilanteet, niistä aiheutuvat palokuormat ja palokuormien todelliset sijainnit. Toiminnallisella palomitoituksella voidaan saavuttaa reilujakin kustannussäästöjä rakennus- ja materiaalikustannuksissa siten, että kokonaispaloturvallisuus vastaa silti vähintään taulukkomitoituksen mukaista paloturvallisuustasoa. Usein paloturvallisuustaso on sitä parempi.
Toiminnallista palomitoitusta käytetään nykyään yleisesti esimerkiksi kantavien teräsrakenteiden paloturvallisuussuunnittelussa, koska taulukkomitoituksella päädytään usein ylimitoitettuihin rakenteisiin ja palonsuojamaalien tarpeettomaan käyttöön. Lasirakenteiden paloturvallisuuden tutkiminen on tyypillinen toiminnallisen palomitoituksen soveltamiskohde sekin. Toiminnallisella palomitoituksella pyritään vähentämään lasirakenteiden palo-ominaisuuksille asetettuja vaatimuksia, ja mahdollistaa siten kevyemmät ja huokeammat toteutukset.
Toiminnallisessa palomitoituksessa voidaan ottaa tehokkaasti huomioon myös rakennukseen asennettujen paloteknisten laitteiden vaikutus. Näihin kuuluvat muun muassa automaattiset sammutusjärjestelmät eli sprinklerit. Paloteknisten järjestelmien arvo palon rajaamisessa tai pysäyttämisessä voi todellisessa palotilanteessa olla suurempi kuin muiden menetelmien, esimerkiksi teräsrakenteiden palonsuojauksen, joten ne huomioimalla voidaan saavuttaa merkittäviä säästöjä.
Toiminnallisen palomitoituksen vaikutus rakennuksen hiilijalanjälkeen
Eemeli Könkkölän diplomityön tavoitteena oli selvittää toiminnallisen palomitoituksen vaikutus rakennusten hiilijalanjälkeen kahdessa merkittävässä rakenteessa, kantavassa teräsrungossa ja palo-osastoivissa lasirakenteissa. Kohderakenteet valittiin, koska niiden palosuunnittelussa käytetään yleisesti toiminnallista palomitoitusta, ja koska teräksen tuotanto on merkittävä hiilidioksidipäästöjen lähde.
Toiminnallisen palomitoituksen vaikutusta kantaviin teräsrakenteisiin tutkittiin vertaamalla kolmen olemassa olevan rakennuksen kantavia teräsrakenteita ja niiden hiilijalanjälkeä vastaaviin taulukkomitoituksella suunniteltuihin rakenteisiin. Kaikki tutkitut rakenteet ovat peräisin Suomessa sijaitsevista todellisista rakennuksista, ja edustavat tyypillisiä kotimaisia rakennusprojekteja (suuri liiketilarakennus, pienyritysten toimitilarakennus ja urheiluhalli), joiden palosuunnittelussa käytetään kustannussyistä yleisesti toiminnallista palomitoitusta vähentämään rakenneteräksen ja palosuojauksen käyttöä.
Myös alumiinirunkoon asennetut palo-osastoivat lasirakenteet ja suuret julkisivuja kattavat lasiseinät suunnitellaan usein toiminnallisella palomitoituksella. Palo-osastoivan lasin merkittävän hinnan vuoksi lasirakenteiden palonkestävyysvaatimusten optimoinnilla saavutetaan usein merkittäviä kustannussäästöjä. Mitä korkeammat palonkestävyysvaatimukset lasirakenteelle asetetaan, sitä painavampaa lasimateriaalia siihen käytetään ja sen raskaampia alumiinirunkoja tarvitaan lasien tukemiseen.
Tulokset puhuvat toiminnallisen palomitoituksen puolesta
Könkkölän diplomityö osoittaa, että toiminnallisella palomitoituksella suunniteltujen rakennusten hiilijalanjälki voi pienentyä merkittävästi taulukkomitoituksella suunniteltuihin verraten, etenkin jos käytetyn rakenneteräksen määrää onnistutaan suunnittelulla vähentämään tuntuvasti. Kaikkien diplomityössä tarkasteltujen kantavien teräsrakenteiden hiilijalanjälkeä saatiin toiminnallisella palomitoituksella puristettua pienemmäksi.
Parhaat mahdollisuudet hiilidioksidipäästöjen merkittävään vähennykseen löytyvät suurista liiketilarakennuksista, joiden kantaville rakenteille on asetettu korkeat palonkestovaatimukset. Liiketilarakennuksen osalta saavutettiin rakenneterästä vähentämällä miltei kymmenen prosenttia matalampi hiilijalanjälki. Pienemmillä rakennuksilla toiminnallisen palomitoituksen hyöty osoittautui pienemmäksi, mutta ei merkityksettömäksi. Jos toiminnallinen palomitoitus pystyy osoittamaan että teräsrunko voidaan toteuttaa ilman palonsuojamaaleja, hiilijalanjälki pienenee vielä jonkin verran lisää.
Lasirakenteiden osalta tulokset osoittavat, että madaltamalla palonsuojalasien suojaaville ominaisuuksille asetettuja vaatimuksia toiminnallisen palomitoituksen avulla, rakenteiden hiilijalanjälkeä voidaan leikata kevyemmillä ja huokeammilla toteutuksilla suunnilleen viidenneksestä jopa 72 prosenttiin. Lasirakenteiden ja alumiinirunkojen vaikutusta hiilijalanjälkeen arvioitiin vertaamalla eri paloluokkiin suunniteltuja lasirakenteita. Lasielementtien hiilijalanjälki laskettiin perustuen saatavilla oleviin eurooppalaisiin ympäristöselosteisiin. Alumiinirungon hiilijalanjälki laskettiin perustuen kirjallisuudesta löydettyihin arvoihin.
Effect of performance-based fire safety design on building's carbon footprinT
Eemeli Könkkölän Aalto-yliopiston maisterivaiheen opinnäytetyö Effect of performance-based fire safety design on building’s carbon footprint (toiminnallisen palomitoituksen vaikutus rakennuksen hiilijalanjälkeen), toteutettiin yhteistyössä KK-Palokonsultti Oy:n kanssa. Työn valvojana toimi professori Simo Hostikka ja työn ohjaajana DI Katariina Kevarinmäki KK-Palokonsultti Oy:ltä. Könkkölän tehtäviin KK-Palokonsultti Oy:llä kuuluvat palosimuloinnit ja paloteknisten suunnitelmien laatiminen.
Diplomityö löytyy netistä osoitteesta https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/112638
